BR102017013977A2

BR102017013977A2 - Circuito compensador e sistema de transmissão de corrente alternada

Info

Publication number: BR102017013977A2
Application number: BR102017013977-8A
Authority: BR
Inventors: She Xu; William Bray James; John Sommerer Timothy; Shantilal Chokhawala Rahul
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2018-01-16
Also published as: CN107565577A; JP2018007544A; CA2971027A1; US20180006461A1; CN107565577B; US10096999B2; EP3264553A1; MX368183B; MX2017008708A

Abstract

circuito compensador e sistema de transmissão de corrente alternada trata-se de um circuito compensador de var (128). o circuito compensador de var inclui um comutador de tubo de gás (500;606,608) e uma impedância reativa (124). o comutador de tubo de gás é configurado para ser acoplado a uma linha de transmissão (102,104,106;404,406,408). a linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa a uma carga (108;402) em uma tensão de linha de corrente alternada (ca). a impedância reativa é configurada para ser acoplada à linha de transmissão na tensão de linha de ca através do comutador de tubo de gás. a impedância reativa é configurada para modificar a potência reativa configurada para ser distribuída para a carga.

Description

(54) Título: CIRCUITO COMPENSADOR E SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE CORRENTE ALTERNADA (51) Int. Cl.: H02J 3/18; H02M 1/00 (30) Prioridade Unionista: 30/06/2016 US 15/199,367 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): XU SHE; JAMES WILLIAM BRAY; TIMOTHY JOHN SOMMERER; RAHUL SHANTILAL CHOKHAWALA (74) Procurador(es): ANA PAULA SANTOS CELIDONIO (57) Resumo: CIRCUITO COMPENSADOR E SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE CORRENTE

ALTERNADA Trata-se de um circuito compensador de var (128). O circuito compensador de var inclui um comutador de tubo de gás (500;606,608) e uma impedância reativa (124). O comutador de tubo de gás é configurado para ser acoplado a uma linha de transmissão (102,104,106;404,406,408). A linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa a uma carga (108;402) em uma tensão de linha de corrente alternada (CA). A impedância reativa é configurada para ser acoplada à linha de transmissão na tensão de linha de CA através do comutador de tubo de gás. A impedância reativa é configurada para modificar a potência reativa configurada para ser distribuída para a carga.

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CIRCUITO COMPENSADOR E SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE CORRENTE ALTERNADA”

Declaração Relacionada à Pesquisa e Desenvolvimento Patrocinados a

Nível Federal [001] Esta invenção foi realizada com suporte do Governo sob número de contrato DE-AR0000298 outorgado pelo Departamento de Energia. O Governo tem determinados direitos sobre a invenção.

Antecedentes [002] O campo da revelação refere-se, em geral, a sistemas de transmissão de corrente alternada flexível (FACTS) e, mais particularmente, a FACTS comutados por tubo de gás e métodos de uso.

[003] Muitas cargas elétricas conhecidas incluem tanto componentes reais quanto reativos. Por exemplo, e sem limitação, um motor elétrico é uma carga indutiva, em que uma bobina de indução é energizada para girar um rotor. A potência real facilita o desempenho de trabalho, como acionar uma carga mecânica no motor elétrico, enquanto a potência reativa facilita o armazenamento de potência devido a uma diferença de fase entre tensão transmitida e corrente transmitida. Potência real, P, é geralmente expressada em Watts. Potência reativa, Q, é geralmente expressada em voltampere reativo (var). A potência aparente é uma soma de vetores de potência real e reativa, e é calculável como um produto de uma tensão e corrente do circuito. Potência aparente, S, é, consequemente, expressada em volt-amperes (VA).

[004] Os sistemas de transmissão de potência conhecidos distribuem energia elétrica para cargas elétricas através de linhas de transmissão. A qualidade da potência distribuída é distinguida por um fator de potência, que é definido como uma razão entre potência real e potência aparente, isto é, P.S. Para cargas puramente resistivas, o fator de potência é

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2/22 um , isto é, 1:1. Para cargas puramente reativas, o fator de potência é zero, isto é, 0:1. Os fatores de potência baixa, em geral, indicam transmissão de potência ineficaz, uma vez que as demandas de carga reativa associadas aumentaram a potência aparente para alcançar uma potência real demandada, resultando em perda de calor aumentada devido a níveis de corrente aumentados. Por outro lado, muito pouca potência reativa em um sistema de transmissão pode reduzir o desempenho de transformadores e linhas de transmissão, resultando em regulagem de tensão insuficiente, margens menores para colapso de tensão ou fluxo de potência insuficiente.

[005] Alguns sistemas de transmissão de potência conhecidos incluem um ou mais compensadores de var para aprimorar qualidade e eficácia de transmissão de potência suprindo-se potência reativa adicional ao sistema aprimorando, desse modo, fator de potência, regulagem de tensão, estabilidade de tensão e fluxo de potência. Os compensadores de var conhecidos tipicamente incluem uma indutância ou uma capacitância que é acoplada à linha de transmissão através de um ou mais comutadores. A indutância ou a capacitância em alguns compensadores de var conhecidos incluem um capacitor ou indutor passivo fixo. Em outros compensadores de var conhecidos, a indutância ou capacitância incluem dispositivos eletrônicos de potência ou uma combinação de dispositivos passivos fixos e aparelhos eletrônicos de potência. Quando conectada e energizada, a indutância opera como uma fonte de corrente reativa e a capacitância opera como uma fonte de tensão reativa. Em high sistemas de transmissão de potência de tensão alta, compensadores de var tipicamente utilizam diversos dispositivos em série para alcançar o efeito desejado. De modo similar, compensadores de var para sistemas de transmissão de potência de tensão alta, em geral, exigem um transformador para fazer interface entre as linhas de transmissão e os diversos dispositivos do compensador de var. Consequentemente, selecionar um

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3/22 compensador de var para um determinado sistema de transmissão de potência tipicamente inclui um equilíbrio de tensão de bloqueio alta, perdas de condução baixas e perdas de comutação baixas.

Breve Descrição [006] Em um aspecto, um circuito compensador de var é fornecido. O circuito compensador de var inclui um comutador de tubo de gás e uma impedância reativa. O comutador de tubo de gás é configurado para ser acoplado a uma linha de transmissão. A linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa a uma carga em uma tensão de linha de corrente alternada (CA). A impedância reativa é configurada para ser acoplada à linha de transmissão na tensão de linha de CA através do comutador de tubo de gás. A impedância reativa é configurada para modificar a potência reativa configurada para ser distribuída para a carga.

[007] Em outro aspecto, um circuito compensador de var é fornecido. O circuito compensador de var inclui uma rede de comutação de tubo de gás e um controlador. A rede de comutação de tubo de gás é configurada para ser acoplada entre uma linha de transmissão e uma impedância reativa. A linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa para uma carga em uma tensão de linha de CA. A impedância reativa é configurada para modificar a potência reativa configurada para ser distribuída para a carga. A rede de comutação de tubo de gás inclui pelo menos um comutador de tubo de gás. O controlador é acoplado à rede de comutação de tubo de gás. O controlador é configurado para comutar de modo seletivo o comutador de tubo de gás para acoplar a impedância reativa à linha de transmissão e aplicar a tensão de linha de CA à impedância reativa.

[008] Em ainda outro aspecto, um sistema de transmissão de corrente alternada flexível (FACTS) é fornecido. O FACTS inclui uma linha de

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4/22 transmissão, uma rede de comutação de tubo de gás, um controlador e uma impedância reativa. A linha de transmissão é acoplada entre uma fonte de alimentação e uma carga. A linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa para a carga em uma tensão de linha de CA. A rede de comutação de tubo de gás é acoplada à linha de transmissão. A rede de comutação de tubo de gás inclui uma pluralidade de comutadores de tubo de gás. O controlador é acoplado à rede de comutação de tubo de gás e configurado para regular a pluralidade de comutadores de tubo de gás com base em uma tensão de linha de CA medida e uma corrente de linha de CA medida. A impedância reativa é configurada para ser acoplada à linha de transmissão através da rede de comutação de tubo de gás na tensão de linha de CA. A impedância reativa é configurada para gerar potência reativa adicional.

Desenhos [009] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente revelação serão mais bem entendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida em referência aos desenhos anexos nos quais caracteres semelhantes representam partes semelhantes por todos os desenhos, em que:

[010] A Figura 1 é um diagrama de blocos de um AC sistema de transmissão de CA flexível exemplificativo (FACTS);

[011] A Figura 2 é um diagrama de blocos de um FACTS alternativo;

[012] A Figura 3 é um diagrama de blocos de outro FACTS alternativo;

[013] A Figura 4 é um diagrama de blocos de ainda outro FACTS alternativo;

[014] A Figura 5 é um diagrama esquemático de um comutador de tubo de gás exemplificativo para uso no FACTS das Figuras 1 a 4; e

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5/22 [015] A Figura 6 é um diagrama esquemático de um comutador de tubo de gás alternativo para uso no FACTS das Figuras 1 a 4.

[016] A menos que indicado de outro modo, as Figuras fornecidas no presente documento se destinam a ilustrar os recursos das realizações desta revelação. Acredita-se que esses recursos sejam aplicáveis a uma ampla variedade de sistemas que compreendem uma ou mais realizações dessa revelação. Como tal, as Figuras não se destinam a incluir todos os recursos convencionais conhecidos por aqueles versados na técnica a serem exigidos para a prática das realizações reveladas no presente documento.

Descrição Detalhada [017] No relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, diversos termos são referenciados como tendo os significados a seguir.

[018] As formas singulares “um”, “uma”, “o” e “a” incluem referências plurais, a menos que o contexto determine claramente o contrário.

[019] Opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou circunstância subsequentemente descrito pode ou não ocorrer, e que a descrição inclui casos em que o evento ocorre e casos em que o mesmo não ocorre.

[020] A linguagem de aproximação, conforme usado no presente documento ao longo do relatório descritivo e reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que possa variar de modo permissível sem resultar em uma mudança na função básica à qual é relacionada. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, como “cerca de”, aproximadamente e substancialmente, não se limitam ao valor preciso especificado. Em pelo menos alguns casos, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para medir o valor. No presente documento e ao longo do relatório descritivo e das reivindicações, as limitações de faixa podem ser combinadas e/ou

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6/22 intercambiadas, em que tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mesmas, a menos que o contexto ou linguagem indiquem de outro modo.

[021] Algumas realizações envolvem o uso de um ou mais dispositivos eletrônicos ou de computação. Tais dispositivos incluem, tipicamente, um processador, um dispositivo de processamento ou um controlador, como uma unidade de processamento central (CPU) de propósito geral, uma unidade de processamento gráfico (GPU), um microcontrolador, um processador de computador de conjunto de instruções reduzido (RISC), um circuito integrado para aplicação específica (ASIC), um circuito de lógica programável (PLC), uma matriz de portas programável em campo (FPGA), um dispositivo de processamento de sinal digital (DSP) e/ou qualquer outro circuito ou dispositivo de processamento com capacidade para executar as funções descritas no presente documento. Os métodos descritos no presente documento podem ser codificados como instruções executáveis incorporadas a um meio legível por computador, incluindo, sem limitação, um dispositivo de armazenamento e/ou um dispositivo de memória. Tais instruções, quando executadas por um dispositivo de processamento, fazem com que o dispositivo de processamento realize pelo menos uma parte dos métodos descritos no presente documento. Os exemplos acima são apenas exemplificativos e, desse modo, não se destinam a limitar de qualquer maneira a definição e/ou o significado dos termos processador, dispositivo de processamento e controlador.

[022] Nas realizações descritas no presente documento, a memória pode incluir, porém, sem limitação, um meio legível por computador, como uma memória de acesso aleatório (RAM) e um meio não volátil legível por computador, como memória flash. Alternativamente, um disquete, um disco compacto de memória somente de leitura (CD-ROM), um disco magnético

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7/22 óptico (MOD) e/ou um disco digital versátil (DVD) também podem ser usados. Além disso, nas realizações descritas no presente documento, os canais de entrada adicionais podem ser, porém, sem limitação, periféricos de computador associados a uma interface de operador, como um mouse e um teclado. Alternativamente, outros periféricos de computador podem também ser usados que podem incluir, por exemplo, porém, sem limitação, um digitalizador. Adicionalmente, na realização exemplificativa, canais de saída adicionais podem incluir, porém, sem limitação, um monitor de interface de operador.

[023] As realizações da presente revelação se referem a sistemas de transmissão de corrente alternada flexível (FACTS). FACTS descritos no presente documento fornecem compensadores comutados por tubo de gás que aprimoram o fator de potência, regulagem de tensão, estabilidade de tensão e fluxo de potência para as linhas de transmissão. A comutação por tubo de gás fornece classificações de alta tensão que eliminam a necessidade por transformadores de linha com o circuito de compensação. A comutação por tubo de gás fornece perdas de comutação baixas, que facilitam a operação em altas frequências de comutação para aprimorar a filtragem de harmônicos nas linhas de transmissão. FACTS descrito no presente documento inclui pelo menos um comutador de tubo de gás entre uma linha de transmissão e uma impedância reativa, como um capacitor ou um indutor. Em algum FACTS descrito no presente documento, uma rede de comutadores de tubo de gás fornece compensação de volt-ampere reativo (var) completamente controlável, que inclui capacidade de liga e desliga de alta frequência, capacidade para abrir contra o fluxo de corrente e bloqueio de tensão e corrente bidirecional.

[024] A Figura 1 é um diagrama de blocos de um FACTS exemplificativo 100. FACTS 100 inclui linhas de transmissão 102, 104 e 106 que distribuem potência real e reativa para uma carga 108. A carga 108 inclui

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8/22 qualquer carga elétrica que consome potência de CA, incluindo, por exemplo, e sem limitação, motores, iluminação, eletrodomésticos, amplificadores, transformadores, conversores de CA-CC, dispositivos de armazenamento de energia, solenoides, elementos de aquecimento, equipamento médico, equipamento industrial e outros circuitos eletrônicos. Com o propósito de descrever FACTS 100, a carga 108 é distinguida tanto por um componente de carga real quanto por um componente de carga reativa. A potência distribuída para a carga 108 é fornecida por fontes de alimentação 110, 112, e 114. As fontes de alimentação 110, 112, e 114 incluem qualquer fonte de alimentação elétrica adequada, incluindo, por exemplo, e sem limitação, fontes de alimentação de CC como baterias e células solares em conjunto com um ou mais dispositivos de conversão de potência CC-CA, e fontes de alimentação de CA como geradores girados por turbinas eólicas, turbinas a vapor e turbinas a gás. As fontes de alimentação 110, 112 e 114 transmitem, respectivamente, potência de CA nas linhas de transmissão 102, 104 e 106. Em determinadas realizações, as fontes de alimentação 110, 112 e 114 incluem diversos aparelhos eletrônicos de potência para converter potência gerada para a tensão de linha de linhas de transmissão 102, 104, e 106. Tais aparelhos eletrônicos de potência incluem, por exemplo, e sem limitação, transformadores e conversores de potência.

[025] FACTS 100 é configurado como um sistema de transmissão trifásico, em que a potência de CA gerada por cada uma das fontes de alimentação 110, 112 e 114 está fora de fase um em relação às outras. Cada uma das linhas de transmissão 102, 104, e 106 conduz uma fase única, tipicamente referenciada como fases A, B, e C. Em realizações alternativas, FACTS 100 inclui qualquer número de fases adequadas para distribuir potência para a carga 108. Por exemplo, e sem limitação, FACTS 100 pode incluir uma fase única. Em outras realizações, FACTS 100 pode incluir

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9/22 seis fases.

[026] A potência de CA transmitida nas linhas de transmissão 102, 104 e 106 por fontes de alimentação 110, 112, e 114 é transmitida em uma tensão de linha e uma frequência de linha. As tensões de linha variam de frações de um volt até diversas centenas de milhares de volts, dependendo da aplicação. As linhas de transmissão de alta tensão operam em uma tensão de linha que excede 10.000 volts. Algumas linhas de transmissão de alta tensão operam em uma tensão de linha que excede 100.000 volts. As correntes de linha conduzidas por linhas de transmissão 102, 104 e 106 estão na faixa de até diversos milhares de amperes. As frequências de linha variam, embora não tão amplamente quanto em tensões de linha. Nos Estados Unidos, por exemplo, frequências de linha são de tipicamente 60 Hertz. Outros países usam frequências de linha de 50 Hertz. Em muitas aeronaves, por exemplo, linhas de transmissão 400 Hertz são comuns.

[027] A carga 108 extrai alguma quantidade de potência aparente, S, expressada em volt-amperes (VA). A potência aparente é uma combinação de potência real, P, expressada em Watts, extraída pelo componente real de carga 108 e potência reativa, Q, expressada em var, extraída pelo componente reator de carga 108. FACTS 100 inclui sensores 116, 118 e 120 configurados para medir as respectivas tensões e correntes de linhas de transmissão 102, 104, e 106. Os sensores 116, 118e120 incluem, por exemplo, e sem limitação, sensores de tensão e sensores de corrente. FACTS 100 inclui adicionalmente um controlador 122 acoplado de modo comunicativo a sensores 116, 118, e 120. O controlador 122 recebe tensões e correntes medidas a partir de sensores 116, 118e 120 e determina valores de potência real, P, e potência reativa, Q, transferidos para a carga 108 através de linhas de transmissão 102, 104, e 106.

[028] FACTS 100 inclui uma impedância reativa 124 configurada

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10/22 para ser acoplada às linhas de transmissão 102, 104, e 106. A impedância reativa 124 inclui pelo menos um dentre um dispositivo indutivo e um dispositivo capacitivo. Em determinadas realizações, por exemplo, e sem limitação, a impedância reativa 124 inclui um ou mais capacitores passivos, um ou mais indutores passivos ou uma combinação de capacitores e indutores.

[029] FACTS 100 inclui uma rede de comutação de tubo de gás 126 acoplada entre a impedância reativa 124 e as linhas de transmissão 102, 104 e 106. A rede de comutação por tubo de gás 126 inclui um ou mais comutadores de tubo de gás que acoplam impedância reativa 124 a pelo menos uma das linhas de transmissão 102, 104, e 106. A rede de comutação por tubo de gás 126 opera na tensão de linha para as linhas de transmissão 102, 104 e 106 sem transformadores para intensificar tensões de impedância reativa 124 para tensões de linha.

[030] FACTS 100 é configurado de modo que a rede de comutação de tubo de gás 126 acople impedância reativa 124 em uma configuração em derivação. Em realizações alternativas, a rede de comutação de tubo de gás 126 acopla impedância reativa 124 em série com linhas de transmissão 102, 104, e 106. Quando conectada, a impedância reativa 124 injeta potência reativa compensatória, Qcomp, nas linhas de transmissão 102, 104, e 106. A potência reativa injetada modifica a potência reativa total, Q, nas linhas de transmissão 102, 104 e 106.

[031] Por exemplo, e sem limitação, quando a potência reativa, Q, é capacitiva, isto é, corrente de linha leva à tensão de linha em fase, a potência reativa injetada, Qcomp, pode aumentar ou reduzir a diferença de fase entre corrente de linha e tensão de linha. Mais especificamente, a rede de comutação de tubo de gás 126 acopla componentes capacitivos de impedância reativa 124, que atuam como fontes de tensão, para aumentar a diferença de fase entre corrente de linha e tensão de linha para um equilíbrio de potência

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11/22 real desejado, P, e potência reativa, Q. De modo similar, a rede de comutação de tubo de gás 126 acopla componentes indutivos de impedância reativa 124, que atuam como fontes de corrente, para reduzir a diferença de fase entre corrente de linha e tensão de linha para o equilíbrio de potência real desejado, P, e potência reativa, Q.

[032] Por outro lado, por exemplo, e sem limitação, quando a potência reativa, Q, é indutiva, isto é, corrente de linha está atrasada em relação à tensão de linha em fase, a potência reativa injetada, Qcomp, pode ou aumentar ou reduzir a diferença de fase entre corrente de linha e tensão de linha. Mais especificamente, a rede de comutação de tubo de gás 126 acopla componentes capacitivos de impedância reativa 124, que atuam como fontes de tensão, para reduzir a diferença de fase entre corrente de linha e tensão de linha para o equilíbrio de potência real desejado, P, e potência reativa, Q. De modo similar, a rede de comutação de tubo de gás 126 acopla componentes indutivos de impedância reativa 124, que atuam como fontes de corrente, para aumentar a diferença de fase entre corrente de linha e tensão de linha para o equilíbrio de potência real desejado, P, e potência reativa, Q.

[033] A rede de comutação por tubo de gás 126 é acoplada de modo comunicativo ao controlador 122. O controlador 122 é configurado para regular o acoplamento de impedância reativa 124 às linhas de transmissão 102, 104 e 106 através da rede de comutação de tubo de gás 126. O controlador 122 regula a rede de comutação de tubo de gás 126 com base nas tensões de linha e correntes de linha medidas com o uso de sensores 116, 118, e 120. Por exemplo, e sem limitação, o controlador 122 determina a potência reativa, Q, em linhas de transmissão 102, 104 e 106 com base em tensões e correntes medidas. O controlador 122, então, determina um equilíbrio de potência reativa desejado, Q, e a potência real, P, a serem distribuídas para a carga 108. O controlador 122 regula a rede de comutação

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12/22 de tubo de gás 126 para acoplar uma potência reativa compensatória apropriada, Qcomp, para modificar a potência reativa total, Q, em linhas de transmissão 102, 104, e 106. Juntos, o controlador 122, a impedância reativa 124 e a rede de comutação de tubo de gás 126 formam um circuito compensador de var 128.

[034] O controlador 122 regula adicionalmente a rede de comutação de tubo de gás 126 para manter o equilíbrio de potência real desejado, P, e a potência reativa, Q, em tempo real. A rede de comutação por tubo de gás 126 é completamente controlável, facilitando capacidade de liga e desliga controlada por porta. O controlador 122 opera comutadores de tubo de gás individuais de rede de comutação de tubo de gás 126 em frequências de comutação que excedem 200 Hertz. Em determinadas realizações, o controlador 122 opera a rede de comutação de tubo de gás de 126 a 2.000 Hertz com perdas de comutação baixas. A rede de comutação por tubo de gás 126 é adicionalmente operável com perdas de condução baixas e tensão bidirecional e bloqueio de corrente. A rede de comutação por tubo de gás 126 é adicionalmente configurada para superar picos de corrente de falha transitórios.

[035] A Figura 2 é um diagrama de blocos de outro FACTS exemplificativo 200. FACTS 200 inclui linhas de transmissão 102, 104 e 106, a carga 108, as fontes de alimentação 110, 112e114eo compensador de var 128. Em FACTS 200, o compensador de var 128 inclui impedância reativa 124 e a rede de comutação de tubo de gás 126.

[036] A impedância reativa 124 inclui capacitores em derivação estáticos 202, 204 e 206. A impedância reativa 124 inclui adicionalmente indutores em derivação estáticos 208, 210 e 212. A rede de comutação por tubo de gás 126 inclui comutadores de tubo de gás 214, 216, 218, 220, 222 e 224. Cada um dos comutadores de tubo de gás 214, 216, 218, 220, 222 e 224 acopla diretamente um entre capacitores em derivação 202, 204 e 206 ou

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13/22 indutores em derivação 208, 210, e 212 a uma respectiva linha de transmissão de linhas de transmissão 102, 104, e 106. Os comutadores de tubo de gás 214, 216, 218, 220, 222 e 224 fornecem capacidade de liga e desliga por porta. Em realizações alternativas, os comutadores de tubo de gás 214, 216, 218, 220, 222 e 224 são configurados em um circuito comutado em linha, embora o controlado por porta seja, em geral, preferencial.

[037] A Figura 3 é um diagrama de blocos de outro FACTS exemplificativo 300. FACTS 300 inclui linhas de transmissão 102, 104 e 106, a carga 108, as fontes de alimentação 110, 112e 114eo compensador de var 128.

[038] Em FACTS 300, o compensador de var 128 inclui impedância reativa 124 e a rede de comutação de tubo de gás 126 (mostrada na Figura. 1), além de filtros 302 e 304. Os filtros 302 e 304 facilitam a injeção de potência reativa compensatória, Qcomp, independente de tensões de linha e correntes de linha em linhas de transmissão 102, 104 e 106. Devido às altas frequências de comutação de rede de comutação de tubo de gás 126 e a resposta dinâmica aprimorada resultante, o compensador de var 128 injeta corrente harmônica para compensar por harmônicos de corrente presentes em linhas de transmissão 102, 104, e 106. Tal compensação é, algumas vezes, referenciada como filtragem de potência ativa de linha de transmissão.

[039] A impedância reativa 124 inclui uma capacitância 306 e uma indutância 308. A capacitância 306 e a indutância 308 são configuradas para serem acopladas às linhas de transmissão 102, 104 e 106 através de rede de comutação de tubo de gás 126. A rede de comutação por tubo de gás 126 inclui comutadores de tubo de gás 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 324, 326, 328, 330, e 332. Os comutadores de tubo de gás 310, 312, 314, 316, 318, e 320 formam uma rede para acoplar capacitância 306 às linhas de transmissão 102, 104, e 106. Do mesmo modo, os comutadores de tubo de gás 322, 324,

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326, 328, 330 e 332 formam uma rede para acoplar a indutância 308 às linhas de transmissão 102, 104, e 106. Os comutadores de tubo de gás 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 324, 326, 328, 330 e 332 são dispostos em pares para isolar as respectivas conexões do compensador de var 128 das linhas de transmissão 102, 104, e 106. Tais pares incluem comutadores de tubo de gás 310 e 312, 314 e 316, 318 e 320, 322 e 324, 326 e 328, e 330 e 332.

[040] A Figura 4 é um diagrama de blocos de outro FACTS exemplificativo 400. FACTS 400 inclui linhas de transmissão 102, 104 e 106, a carga 108, as fontes de alimentação 110, 112e114eo compensador de var 128. FACTS 400 também incluem uma segunda carga 402 na qual a potência real e a reativa são distribuídas através de linhas de transmissão 404, 406, e 408. A potência real e a reativa distribuídas para a carga 402 através de linhas de transmissão 404, 406 e 408 são geradas por fontes de alimentação 410, 412, e 414.

[041] Em determinadas realizações, as linhas de transmissão 102, 104, e 106 representam um trajeto de transmissão dentro de uma rede elétrica, e as linhas de transmissão 404, 406 e 408 representam outro trajeto de transmissão dentro da rede elétrica. Em tais realizações, as fontes de alimentação 110, 112, 114, 410, 412 e 414 são síncronas. Em realizações alternativas, as fontes de alimentação 110, 112, 114, 410, 412 e 414 são assíncronas e FACTS 400 inclui adicionalmente um ou mais transformadores ou aparelhos eletrônicos de potência adicionais para acoplar linhas de transmissão 404, 406 e 408 às linhas de transmissão 102, 104 e 106.

[042] A impedância reativa 124 é adicionalmente acoplada às linhas de transmissão 404, 406 e 408 através da rede de comutação de tubo de gás 126. O compensador de var 128 inclui filtros 416 e 418 através dos quais a impedância reativa 124 é acoplada às linhas de transmissão 102, 104, 106, 404, 406 e 408. Os filtros 416 e 418 são configurados para remover

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15/22 harmônicos indesejados dos fluxos de potência nas linhas de transmissão 102, 104, e 106 e nas linhas de transmissão 404, 406, e 408. A rede de comutação por tubo de gás 126 inclui comutadores de tubo de gás 420, 422, 424, 426, 428, 430, 432, 434, 436, 438, 440, e 442. A rede de comutação por tubo de gás 126 é configurada para ser controlada para compartilhar potência reativa e potência real entre as linhas de transmissão 102, 104, 106 e as linhas de transmissão 404, 406, 408 para equilibrar fluxos de potência real e reativa dentro do FACTS 400, e para regular adicionalmente as tensões de linha de transmissão.

[043] As Figuras 5 e 6 são esquemáticos de comutadores de tubo de gás exemplificativos 500 e 600 para uso em FACTS 100, 200, 300, e 400 (mostrado nas Figuras 1 a 4, respectivamente). O comutador de tubo de gás 500 inclui um anodo 520 oposto a um catodo 522. O anodo 520 e o catodo 522 estão localizados dentro de uma câmara 524 e separados por uma lacuna de descarga. A câmara 524 contém adicionalmente um gás ionizável 526 que ocupa a lacuna de descarga. Quando o comutador é fechado, o gás ionizável 526 é ionizado ao produzir um plasma altamente condutivo que se estende do anodo 520 para o catodo 522. O comutador de tubo de gás 500, em determinadas realizações, inclui um eletrodo de manutenção 528 que mantém um plasma fraco entre o catodo 522 e o eletrodo de manutenção 528, facilitando a criação do plasma altamente condutivo. Manter o plasma altamente condutivo resultada em alguma perda, que é referenciada como uma queda de tensão direta. Quando o comutador é aberto, o gás ionizável 526, que é não condutivo, isola o anodo 520 e comuta o eletrodo 530, que é distinguido por uma tensão intrínseca. A tensão intrínseca é uma função de diversos parâmetros de projeto do comutador, incluindo, por exemplo, e sem limitação, materiais de eletrodo, geometria de eletrodo, lacuna de geometria de descarga, propriedades de gás ionizável 526, pressão dentro da câmara 524 e

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16/22 temperatura de operação do comutador. As tensões intrínsecas para o comutador de tubo de gás 500 estão na faixa de 10.000 volts a 300.000 volts de modo inclusivo, por exemplo, e sem limitação. Em realizações alternativas, as tensões intrínsecas para o comutador de tubo de gás 500 podem exceder 300.000 volts.

[044] No comutador de tubo de gás 500, quando em comutação, o campo elétrico entre o anodo 520 e o catodo 522 é controlado com o uso de eletrodo de comutação 530. O eletrodo de manutenção 528 é opcionalmente usado para manter um plasma fraco entre o eletrodo de manutenção 528 e o catodo 522 quando o comutador de tubo de gás está aberto, aprimorando a capacidade de repetição do processo de fechamento e reduzindo com tempo de instabilidade. Mediante o fechamento, o eletrodo de comutação 530 é energizado para inicializar a ionização de gás ionizável 526 entre o anodo 520 e o eletrodo de comutação 530 para produzir o plasma altamente condutivo que se estende do anodo 520 para o catodo 522. Mediante a abertura, o eletrodo de comutação 530 é energizado para interceptar brevemente a corrente do plasma altamente condutivo facilitando, dessa maneira, a abertura do comutador.

[045] O eletrodo de manutenção 528 e o eletrodo de comutação 530 para o comutador de tubo de gás 500 são controlados pelo controlador 122 com o uso de linhas de controle 538. Em determinadas realizações, as linhas de controle 538 são referenciadas como catodo 522.

[046] O controlador 122 opera o comutador de tubo de gás 500 em uma frequência de comutação. A frequência de comutação, em hertz, quantifica um número de comutações de comutador de tubo de gás 500 por segundo. O comutador de tubo de gás 500 comuta por uma transição única de aberto para fechado ou de fechado para aberto. O controlador 122 opera em uma frequência de comutação entre 50 hertz e 20.000 hertz, de modo inclusivo.

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A frequência de comutação na qual o controlador 122 opera é adicionalmente determinada como uma função do dispositivo ou dos componentes acoplados ao anodo 520 e ao catodo 522.

[047] Em determinadas realizações, o comutador de tubo de gás 500 é combinado com um segundo comutador de tubo de gás em uma configuração de comutação bidirecional (mostrada na Figura 6). Em determinadas realizações, o comutador de tubo de gás 500 é combinado com um ou mais comutadores de tubo de gás acoplados em série ou “empilhados”. Tal configuração empilhada fornece uma tensão intrínseca maior que aquela de um único comutador de tubo de gás. Por exemplo, se um único comutador de tubo de gás tiver uma tensão intrínseca de 100.000 volts, uma pilha de três tais comutadores de tubo de gás gera uma tensão intrínseca combinada de 300.000 volts. Do mesmo modo, se o único comutador de tubo de gás tiver uma queda de tensão direta de 100 volts, a pilha de três tem uma queda de tensão direta combinada de 300 volts.

[048] A Figura 6 é um diagrama esquemático de um comutador de tubo de gás bidirecional exemplificativo 600 para uso em FACTS 100, 200, 300, e 400 (mostrado nas Figuras 1 a 4, respectivamente). O comutador de tubo de gás bidirecional 600 inclui um primeiro terminal 602 e um segundo terminal 604. Dois comutadores de tubo de gás 606 e 608 são acoplados entre o primeiro terminal 602 e o segundo terminal 604 em uma disposição antiparalela. Cada um dos comutadores de tubo de gás 606 e 608, conforme mostrado em relação ao comutador de tubo de gás 500 (mostrada na Figura 5), inclui anodo 520 e catodo 522 dispostos em uma câmara 524 e separados por uma lacuna. A câmara 524 é preenchida com gás ionizável 526. Os comutadores de tubo de gás 606 e 608 são controlados com o uso de linhas de controle 610 e 612 para energizar o eletrodo de manutenção 528 e o eletrodo de comutação 530 para alcançar operação bidirecional. Em determinadas

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18/22 realizações, as linhas de controle 612 são referenciadas como primeiro terminal 602, e as linhas de controle 610 são referenciadas como segundo terminal 604.

[049] O FACTS descrito acima fornece compensadores comutados por tubo de gás que aprimoram o fator de potência, a regulagem de tensão, a estabilidade de tensão e o fluxo de potência para as linhas de transmissão. A comutação por tubo de gás fornece classificações de alta tensão que eliminam a necessidade por transformadores de linha com o circuito de compensação. A comutação por tubo de gás fornece perdas de comutação baixas, que facilitam a operação em altas frequências de comutação para aprimorar a filtragem de harmônicos nas linhas de transmissão. FACTS descrito no presente documento inclui pelo menos um comutador de tubo de gás entre uma linha de transmissão e uma impedância reativa, como um capacitor ou um indutor. Em alguns FACTS descritos no presente documento, uma rede de comutadores de tubo de gás fornece compensação de volt-ampere reativo (var) completamente controlável, incluindo capacidade de liga e desliga, e bloqueio de tensão e corrente bidirecional.

[050] Um efeito técnico exemplificativo dos métodos, sistemas e aparelho descritos no presente documento inclui pelo menos um dentre: (a) aumentar tensão de operação de compensadores de var; (b) simplificar projeto de compensador de var eliminando-se transformadores para intensificar var gerado para tensão de linha de CA; (c) reduzir perdas de comutação; (d) aumentar frequências de comutação operável; (e) reduzir harmônicos em linhas de transmissão; (f) reduzir perdas de condutor dentro dos compensadores de var; (g) fornecer capacidade de liga e desliga total de compensadores de var; (h) aprimorar qualidade e eficácia de transmissão de potência de FACTS; e (i) aprimorar fator de potência, regulagem de tensão, estabilidade de tensão e fluxo de potência de FACTS.

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19/22 [051] As realizações exemplificativas de métodos, sistemas e aparelhos para FACTS não são limitadas às realizações específicas descritas no presente documento, mas, em vez disso, os componentes de sistemas e/ou as etapas dos métodos podem ser utilizados de modo independente e separado de outros componentes e/ou etapas descritos no presente documento. Por exemplo, os métodos também podem ser usados em combinação com outro FACTS não convencional, e não são limitados à prática apenas com os sistemas e métodos, conforme descrito no presente documento. Em vez disso, a realização exemplificativa pode ser implantada e utilizada em conexão com muitas outras aplicações, equipamento e sistemas que podem se beneficiar de eficácia aumentada, custo operacional reduzido e gastos capitais reduzidos.

[052] Embora os recursos específicos de diversas realizações da revelação possam ser mostrados em algumas Figuras e não em outras, isso ocorre somente por conveniência. De acordo com os princípios da revelação, qualquer recurso de uma Figura pode ser denominado e/ou reivindicado em combinação com quaisquer outros recursos em qualquer outra Figura.

[053] Essa descrição escrita usa exemplos para revelar as realizações, inclusive o melhor modo, e também para capacitar qualquer pessoa versada na técnica a praticar as realizações, inclusive a fazer e usar qualquer aparelho ou sistema, e a executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da revelação é definido através das reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são planejados para estarem no interior do escopo das reivindicações se possuírem elementos estruturais que não os diferenciem a partir da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais a partir da linguagem literal das reivindicações.

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	Lista de Componentes
100	FACTS
102	Linha de transmissão
104	Linha de transmissão
106	Linha de transmissão
108	Carga
110	Fonte de alimentação
112	Fonte de alimentação
114	Fonte de alimentação
116	Sensor
118	Sensor
120	Sensor
122	Controlador
124	Impedância reativa
126	Rede de comutação de tubo de gás
128	Compensador de var
200	FACTS
202	Capacitor em derivação
204	Capacitor em derivação
206	Capacitor em derivação
208	Indutor em derivação
210	Indutor em derivação
212	Indutor em derivação
214	Comutador de tubo de gás
216	Comutador de tubo de gás
218	Comutador de tubo de gás
220	Comutador de tubo de gás
222	Comutador de tubo de gás

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224 Comutador de tubo de gás 300 FACTS

302 Filtro

304 Filtro

306 Capacitância

308 Indutância

310 Comutador de tubo de gás 312 Comutador de tubo de gás 314 Comutador de tubo de gás 316 Comutador de tubo de gás 318 Comutador de tubo de gás 320 Comutador de tubo de gás 322 Comutador de tubo de gás 324 Comutador de tubo de gás 326 Comutador de tubo de gás 328 Comutador de tubo de gás 330 Comutador de tubo de gás 332 Comutador de tubo de gás 400 FACTS

402 Carga

404 Linha de transmissão

406 Linha de transmissão

408 Linha de transmissão 410 Fonte de alimentação 412 Fonte de alimentação 414 Fonte de alimentação 416 Filtro

418 Filtro

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420 Comutador de tubo de gás 422 Comutador de tubo de gás 424 Comutador de tubo de gás 426 Comutador de tubo de gás 428 Comutador de tubo de gás 430 Comutador de tubo de gás 432 Comutador de tubo de gás 434 Comutador de tubo de gás 436 Comutador de tubo de gás 438 Comutador de tubo de gás 440 Comutador de tubo de gás 442 Comutador de tubo de gás 500 Comutador de tubo de gás 520 Anodo

522 Catodo

524 Câmara

526 Gás ionizável

528 Eletrodo de manutenção

530 Eletrodo de comutação

538 Linhas de controle

600 Comutador de tubo de gás bidirecional

602 Primeiro terminal

604 Segundo terminal

606 Comutador de tubo de gás

608 Comutador de tubo de gás

610 Linha de controle

612 Linha de controle

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Claims

Reivindicações

1. CIRCUITO COMPENSADOR de volt-ampere reativo (VAR) (128) caracterizado pelo fato de que compreende:

um comutador de tubo de gás (500;606,608) configurado para ser acoplado a uma linha de transmissão (102,104,106;404,406,408), em que a linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa para uma carga (108;402) em uma tensão de linha de corrente alternada (CA); e uma impedância reativa (124) configurada para ser acoplada à linha de transmissão na tensão de linha de CA através do dito comutador de tubo de gás, em que a dita impedância reativa é configurada para modificar a potência reativa configurada para ser distribuída para a carga.
2. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito comutador de tubo de gás (500;606,608) e a dita impedância reativa (124) são configuradas para serem acopladas em série com a linha de transmissão (102,104,106;404,406,408).
3. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito comutador de tubo de gás (500;606,608) e a dita impedância reativa (124) são configurados para serem acoplados em um circuito em derivação em relação à linha de transmissão (102,104,106;404,406,408).
4. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito comutador de tubo de gás (500;606,608) é configurado para ser controlado por um controlador (122) com base em pelo menos uma entre uma tensão de linha medida e uma corrente de medição para a linha de transmissão (102,104,106;404,406,408).
5. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com

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2/5 a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito comutador de tubo de gás (500;606,608) é adicionalmente configurado para ser controlado em uma frequência de comutação de pelo menos 500 hertz.
6. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão de linha de CA é pelo menos 100 quilovolt.
7. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita impedância reativa (124) compreende um indutor (208,210,212;308) configurado para produzir uma corrente atrasada em relação à tensão de linha de CA em fase.
8. CIRCUITO COMPENSADOR de volt-ampere reativo (VAR) (128) caracterizado pelo fato de que compreende:

uma rede de comutação de tubo de gás (126) configurada para ser acoplada entre uma primeira linha de transmissão (102,104,106) e uma impedância reativa (124), em que a primeira linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa para uma carga (108) em uma tensão de linha de corrente alternada (CA), em que a impedância reativa é configurada para modificar a potência reativa configurada para ser distribuída para a carga, em que a dita rede de comutação de tubo de gás compreende pelo menos um comutador de tubo de gás (500;606,608); e um controlador (122) acoplado à dita rede de comutação de tubo de gás, em que o dito controlador é configurado para comutar de modo seletivo o dito pelo menos um comutador de tubo de gás para acoplar a impedância reativa à primeira linha de transmissão e aplicar a tensão de linha de CA à impedância reativa.
9. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a primeira linha de transmissão (102,104,106) inclui três fases e a impedância reativa (124) inclui

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3/5 três impedâncias reativas (202,204,206,208,210,212), e em que a dita rede de comutação de tubo de gás (126) compreende adicionalmente três comutadores de tubo de gás (214,216,218,220,222,224) respectivamente acoplados entre as três fases da primeira linha de transmissão e as três impedâncias reativas.
10. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os ditos três comutadores de tubo de gás (214,216,218,220,222,224) são configurados para acoplar de modo seletivo as respectivas impedâncias reativas (202,204,206,208,210,212) à primeira linha de transmissão (102,104,106).
11. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (122) é adicionalmente configurado para comutar de modo seletivo o dito pelo menos um comutador de tubo de gás (500;606,608) com base em uma tensão de linha de CA medida para a primeira linha de transmissão (102,104,106) e uma corrente de linha de CA medida.
12. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

um sensor de tensão (116,118,120) acoplado à primeira linha de transmissão (102,104,106) e ao dito controlador (122), em que o dito sensor de tensão é configurado para detectar a tensão de linha de CA medida; e um sensor de corrente (116,118,120) acoplado à primeira linha de transmissão e ao dito controlador, em que o dito sensor de corrente é configurado para detectar a corrente de linha de CA medida.
13. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (122) é adicionalmente configurado para:

computar uma diferença de fase entre a tensão de linha de CA medida e a corrente de linha de CA medida; e

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4/5 regular de modo seletivo a dita rede de comutação de tubo de gás (126) com base na diferença de fase.
14. CIRCUITO COMPENSADOR de var (128), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a dita rede de comutação de tubo de gás (126) é adicionalmente acoplada entre a impedância reativa (124) e uma segunda linha de transmissão (404,406,408), e em que o dito controlador (122) é adicionalmente configurado para regular a dita rede de comutação de tubo de gás para transferir potência reativa gerada pela impedância reativa e potência real presente na linha de transmissão (102,104,106) para a segunda linha de transmissão.
15. SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE CORRENTE ALTERNADA (CA) flexível (FACTS) (100;200;300;400) caracterizado pelo fato de que compreende:

uma linha de transmissão (102,104,106) acoplada entre uma fonte de alimentação (110,112,114;410,412,414) e uma carga (108;402), em que a dita linha de transmissão é configurada para distribuir potência real e potência reativa para a carga em uma tensão de linha de CA;

uma rede de comutação de tubo de gás (126) acoplada à dita linha de transmissão, em que a dita rede de comutação de tubo de gás compreende uma pluralidade de comutadores de tubo de gás (214,216,218,220,222,224;310,312,314,316,318,320,322,324,326,328,330,332; 420,422,424,426,428,430,432,434,436,438,440,442);

um controlador (122) acoplado à dita rede de comutação de tubo de gás, em que o dito controlador é configurado para regular a dita pluralidade de comutadores de tubo de gás com base em uma tensão de linha de CA medida e uma corrente de linha de CA medida; e uma impedância reativa (124) configurada para ser acoplada à dita linha de transmissão através da dita rede de comutação de tubo de gás na

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5/5 tensão de linha de CA, em que a dita impedância reativa é configurada para gerar potência reativa adicional.

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